Introdução aos harmônicos:parte 1

Colin Hargis, engenheiro-chefe da Control Techniques, oferece uma introdução aos harmônicos neste blog de duas partes. A segunda parte está disponível aqui.



Este blog é uma introdução ao assunto de harmônicos de energia elétrica, com referência especial aos inversores de velocidade variável. O objetivo é explicar o que são e o que fazem em termos diretos, e distingui-los de outros efeitos de Compatibilidade Eletromagnética (EMC), como interferência de radiofrequência e “ruído” elétrico.

Para simplificar, os exemplos assumem principalmente uma frequência de alimentação de 50 Hz. Se você trabalha em uma área usando 60 Hz, precisará dimensionar as frequências adequadamente.

Introdução aos harmônicos?

Um harmônico de uma função periódica tem uma frequência que é um múltiplo inteiro daquela da função (que é a fundamental). Na engenharia de energia elétrica, essa ideia é usada principalmente para ajudar a entender o efeito de cargas de energia não lineares, onde a fonte de tensão é senoidal, mas a corrente é distorcida, embora ainda com o mesmo período. Usando o conceito da Série de Fourier, podemos representar uma forma de onda periódica distorcida como a soma de vários harmônicos.

Por exemplo, um retificador de ponte monofásico simples extrai uma corrente que é uma série de pulsos curtos nos picos de tensão, conforme mostrado na Figura 1;

Figura 1:Forma de onda de corrente para retificador de ponte monofásica simples



A corrente pode ser analisada em suas frequências constituintes. Ele compreende uma série de harmônicos de ordem ímpar como mostrado na Figura 2;

Figura 2:Análise de frequência da corrente na Figura 1



O benefício desta análise é que o comportamento dos componentes elétricos é mais fácil de entender e definir em termos de frequências senoidais específicas.

Neste caso, com uma frequência de rede de 50 Hz, você pode ver que as correntes harmônicas até ordens de cerca de 30, ou seja, 1500 Hz, são bastante significativas. Além disso, eles diminuem rapidamente. Os harmônicos de ordem inferior das ordens 3, 5, 7 e 9 são realmente de alta amplitude e não são muito menores que o fundamental (50 Hz).

Se os semiciclos negativos e positivos tiverem a mesma forma, apenas os harmônicos ímpares estarão presentes. Em circuitos de energia trifásicos, os harmônicos triplos n (3, 6, 9, 12 etc.) também estão ausentes, pois são cofasais, e as correntes cofasais são bloqueadas em um circuito de três fios.

Definição estrita e definição de trabalho para harmônicos. Inter-harmônicos.

Um harmônico verdadeiro só pode ter uma frequência que seja um múltiplo inteiro exato da fundamental. A maioria dos dispositivos não lineares simples, como retificadores e componentes magnéticos com núcleo de ferro, geram correntes harmônicas verdadeiras.

Em circuitos eletrônicos de potência modernos que utilizam comutação ativa, que podem não estar sincronizados com a frequência de alimentação, podem estar presentes novas frequências que não são harmônicas verdadeiras. Por exemplo, como ilustrei nos Blogs número 4 e 5 sobre acionamentos regenerativos, um inversor operando com frequência de chaveamento de 4 kHz com alimentação de 60 Hz gera correntes nas frequências de 3880 Hz e 4120 Hz, além de muitas outras, que são não são múltiplos inteiros de 60 Hz e, portanto, não são harmônicos verdadeiros. O termo correto para isso é Interharmônicos . Eles ainda são frequências indesejadas e alguns de seus efeitos são os mesmos dos harmônicos, então, na discussão geral, eles podem ser chamados simplesmente de “harmônicos”. Isso pode causar confusão, por isso é melhor deixar claro se estamos falando de harmônicos verdadeiros ou de todos os tipos de distorção.

Que efeito eles têm?

Voltando às Figuras 1 e 2 novamente, temos um retificador conectado à rede elétrica. A alimentação é sinusoidal e tem uma frequência única de 50 Hz. O retificador gera correntes harmônicas que fluem na alimentação. O retificador é uma fonte de corrente nas frequências harmônicas, que são emitidas de volta para a fonte e espalhadas pelo sistema de energia. A Figura 3 ilustra isso. A corrente harmônica é emitida pela carga e provoca uma tensão harmônica na impedância da fonte da alimentação. A tensão é experimentada por outros usuários de energia conectados ao mesmo ponto de acoplamento comum (PCC).

Figura 3:Propagação de harmônicos na rede elétrica



Os harmônicos têm frequências que variam de 100 Hz a cerca de 2.500 Hz (geralmente paramos na ordem 50, mas algumas autoridades consideram 100 ou até 200. O padrão para medições harmônicas para em 9 kHz). O primeiro ponto interessante é que estas são frequências muito baixas no espectro eletromagnético. Isso é ilustrado no espectro mostrado na Figura 4;

Figura 4:Espectro eletromagnético simplificado mostrando a posição dos harmônicos de potência



Geralmente, considera-se que a “frequência de rádio” começa em 9 kHz e, de fato, existem muito poucas aplicações de rádio abaixo de cerca de 100 kHz devido à dificuldade em gerar uma onda eletromagnética útil. Isso significa que os harmônicos não são propagados como ondas e apenas viajam por condução ao redor da fiação do sistema de potência. Eles não causam interferência por acoplamento disperso, apenas por serem conduzidos para outros equipamentos através dos fios de alimentação. A razão pela qual eles devem ser considerados é que eles são cumulativos – então um retificador em um aparelho de TV tem um efeito minúsculo, mas quando milhões de aparelhos de TV operam ao mesmo tempo, seus harmônicos têm a mesma frequência e fase, então eles se somam em o sistema de energia. O efeito geral é distorcer a forma de onda da tensão senoidal. A Figura 5 ilustra o tipo de distorção “flat top” causada por retificadores;

Figura 5:Distorção de tensão causada por harmônicos do retificador



Um nível moderado de corrente harmônica no sistema de energia não é motivo de preocupação, mas se se tornar excessivo, podem ocorrer problemas. Alguns dos possíveis efeitos de harmônicos excessivos no sistema de potência estão listados abaixo. Todos estes são bastante incomuns, mas se ocorrerem, podem ser difíceis e caros de corrigir.

• Aumento do aquecimento de alguns equipamentos elétricos sensíveis à frequência, especialmente:
  • Capacitores para correção do fator de potência
  • Motores de indução
  • Transformadores
  • Geradores (por exemplo, pequenos geradores locais, como fontes de alimentação de backup)
• Ruído acústico em transformadores, barramentos etc.
• Erros em equipamentos usando a frequência da rede para cronometragem (agora se tornam incomuns)
• Acionamento indesejado de sistemas UPS que respondem à distorção da forma de onda
• Captura de ruído em sistemas de som analógicos, por exemplo teatro ou igreja
• Desarme indesejado dos relés de proteção do sistema de energia, resultando em perda de fornecimento público

Dificuldades sérias com harmônicos são incomuns, exceto em casos bastante especiais. Um exemplo é um navio que possui seu próprio gerador com capacidade de energia limitada e um grande número de acionamentos ou outros retificadores. No entanto, as concessionárias de energia experimentam um acúmulo de harmônicos dos milhões de pequenos aparelhos em operação, e há locais onde o quinto harmônico no abastecimento público está em seu valor limite.

“Ruído”

Observe que o efeito dos harmônicos não inclui o tipo de distúrbio em circuitos eletrônicos geralmente chamado de “ruído elétrico”, que tende a resultar em ruído e vibração em sistemas de acionamento analógicos e/ou erros de dados em links de dados digitais. As razões para isso são:

• A frequência dos harmônicos é muito baixa para um acoplamento disperso significativo por indução entre circuitos elétricos adjacentes. A maioria das interferências elétricas é causada por frequências muito mais altas que podem ser acopladas eletromagneticamente ou através da indutância perdida das conexões de terra.

Os harmônicos são propagados como correntes de modo série apenas no circuito de potência, ou seja, eles viajam nos condutores de potência do sistema de potência e não nas conexões de terra (terra). O “ruído” de alta frequência geralmente está no modo comum, ou seja, ele viaja em condutores e o circuito é completado pelo terra (terra). Consulte a Figura 6 para obter mais explicações;

Figura 6:Modo série (a) e modo comum (b) em um circuito de energia monofásico

Dados harmônicos:entrada e saída, tensão e corrente

Os usuários do drive às vezes solicitam dados harmônicos para um drive. Existe alguma possibilidade de confusão porque eles podem se referir à entrada ou à saída e à corrente ou tensão. A tabela abaixo resume os dados relevantes para cada local.





Às vezes, uma solicitação de dados harmônicos de saída decorre da experiência anterior de um usuário com inversores de gerações anteriores que usavam a técnica quasi-quadrado e continham os harmônicos não triplos n da frequência de trabalho. Com PWM os harmônicos são desprezíveis.

Para resumir a tabela, os únicos dados harmônicos que são uma característica de um modelo de inversor específico são os dados de corrente de entrada. Isso deve estar disponível no fornecedor mediante solicitação.

Na parte 2 do blog de harmônicos, veremos como os harmônicos são medidos e avaliados, como eles variam com a carga do inversor e o que pode ser feito se eles precisarem ser reduzidos.